AT332891B - Katalysatorschuttung zur durchfuhrung von hochdrucksynthesen und verfahren zur herstellung der katalysatorschuttung - Google Patents

Description

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   Bei katalytischen Hochdrucksynthesen, insbesondere bei der Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und
Wasserstoff mit Hilfe von Eisenoxydschmelzkatalysatoren, ist es bekannt, dass die Aktivität des Katalysators mit abnehmender Korngrösse zunimmt. Der Ausnutzung dieser an sich erwünschten höheren Aktivität steht jedoch der zunehmende Gaswiderstand von Schüttungen aus feinkörnigem Katalysatormaterial, beispielsweise einem solchen mit einer Korngrösse von 2 bis 4 mm entgegen, da dadurch der Druckverlust des Ofens zu untragbaren Werten ansteigt. 



   Bei den üblichen Synthesereaktoren mit axialer Gasströmungsrichtung war man daher auf die Verwendung eines Katalysators einer Mindestkorngrösse von etwa 5 mm beschränkt. 



   In den   österr. Patentschriften Nr. 281870   und Nr. 298517 wurde vorgeschlagen, durch Änderung der
Gasführung von einer axialen in eine radiale oder schneckenförmige Richtung den Druckverlust des Ofens so weit herabzusetzen, dass auch der Einsatz eines Katalysators der Korngrösse von etwa 2 bis 2, 5 mm möglich wird. Die radiale Gasführung benötigt aber zusätzliche Einbauten zur Umlenkung des Gases in die radiale Richtung, die wieder einen Verlust an Katalysatorraum bedeutet, während bei schneckenförmige ; Gasführung der Druckverlust des Gases nicht so weit abgesenkt wird, wie bei radialer Gasführung und ausserdem das Problem der Kühlung zwischen den Katalysatorlagen bisher nur für die Einspeisung von Kaltgas gelöst werden konnte. 



   Es konnte nun überraschenderweise gefunden werden, dass es zur Erzielung einer erhöhten Aktivität nicht erforderlich ist, dass der Katalysator eine entsprechend geringe Korngrösse aufweist, sondern dass es ausreicht, dass eine Richtung der räumlichen Ausdehnung des Katalysatorkorns der optimalen Korngrösse entsprechend klein gehalten ist, während die andern senkrecht dazu liegenden Richtungen der Raumausdehnung beliebig grösser sein können. Das bedeutet, dass ein spiessförmiges Katalysatorpartikel mit einer Breite bzw. Dicke von unter 5 mm,   z. B.   etwa 1 bis 2 mm, jedoch einer Länge, die ein Vielfaches der Breite bzw. Dicke beträgt, eine gleiche oder sogar höhere Aktivität aufweist als ein kugelförmiges Katalysatorkorn etwa gleichen Rauminhaltes.

   Das gleiche gilt auch für Katalysatorkörner mit prismen-, pyramidenstumpf-oder kegelstumpfförmiger Gestalt, ja sogar auch für Partikel mit scheiben- oder plattenförmigem Aussehen, bei denen also nur eine Richtung der Raumausdehnung, nämlich die Dicke (der Platte) bzw. Höhe (der Scheibe) die geforderte Länge unter 5 mm besitzt. 



   Katalysatorkörner dieser Form haben gegenüber   kugelförmigen   Kontakten den Vorteil, dass sie bei einer Ausrichtung in der Weise, dass deren Richtung der längsten Raumausdehnung-bei Spiessen, Zylindern oder Prismen also deren Längsachse bzw. Höhe, bei Scheiben oder Platten deren Durchmesser bzw. 



    Kantenlänge-annähernd   parallel zur Gasströmungsrichtung liegt, einen relativ geringen Gaswiderstand darstellen, so dass sie erhöhte Aktivität mit dem Vorteil eines geringeren Druckverlustes vereinen, sehr im Gegensatz zu kugelförmigen Kontakten geringer Korngrösse. So entspricht   z. B.   der Druckverlust eines Ofens, der mit Spiessen einer Länge von 5 bis 10 mm und einer Dicke von 1 bis 2 mm in ausgerichteter Weise befüllt ist, dem eines Ofens, der mit kugelförmigem Katalysator einer Korngrösse von 8 bis 9 mm befüllt ist, der eine wesentlich geringere Aktivität aufweist. 



   Dieser Umstand stellt einen wesentlichen Fortschritt dar, da bisher in der Regel für erhöhte Aktivität ein höherer Druckverlust und umgekehrt in Kauf genommen werden musste. 



   Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Katalysatorschüttung zur Durchführung von Hochdrucksynthesen in Gegenwart von Eisenoxydschmelzkatalysatoren, die gegebenenfalls aktivierende Zusätze enthalten, insbesondere zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff und welche in einem zylindrischen oder ringförmigen, an den Seitenwänden gasdicht, am Boden und Deckel jedoch gasdurchlässig ausgestalteten Hohlraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung zu 65   Gew.-%,   vorzugsweise zur Gänze aus Partikeln besteht, deren Raumausdehnung eine Länge besitzt, die das 2 bis 20fache der Länge mindestens einer der beiden andern, senkrecht dazu stehenden Raumanordnungen beträgt und mindestens eine dieser senkrecht dazu stehenden Raumausdehnungen eine Länge von 1 bis 5 mm, vorzugsweise von 1 bis 2 mm besitzt,

   wobei die Partikel mit ihrer längsten Raumausdehnung in einem Winkel zwischen 50 und   90 ,   vorzugsweise 70 und   900 parallel   zur Achse des zylindrischen oder ringförmigen Hohlraumes angeordnet sind. 



   Die günstigsten Verhältnisse werden natürlich dann erzielt, wenn der Katalysator im Katalysatorbett zur Gänze die erfindungsgemässe ungleichmässige Raumausdehnung aufweist, doch ist auch ein erheblicher Vorteil dann zu verzeichnen, wenn der überwiegende Teil des Katalysators, vorzugsweise mehr als 65% der Partikel, den Merkmalen der Erfindung genügt. Besonders bevorzugt sind Formen der Katalysatorpartikel, bei denen die Raumausdehnung in einer Richtung als Länge gemessen das 2 bis 20fache mindestens einer der dazu senkrecht stehenden Raumausdehnungen beträgt, dass also   z. B.   bei Körpern mit ausgeprägter Längsachse die Länge bzw. 



  Höhe das 2 bis 20fache der Breite und/oder Dicke des Körpers oder bei Scheiben mit kreisförmigem oder elliptischem Grundriss der Durchmesser oder der längere Durchmesser das 2 bis 20fache der Dicke der Scheibe ausmacht. 



   Die Herstellung des erfindungsgemässen Katalysatorbettes gelingt durch die Anlegung eines Magnetfeldes an die Schüttung, wobei sich die Partikel mit ihrer ausgeprägten Längsausdehnung in Richtung der Kraftlinien des Magnetfeldes, das insbesondere ein auf elektrischem Wege erzeugtes Magnetfeld ist, ausrichten. Die Ausrichtung muss dann ausserhalb des Ofens erfolgen, da die Einwirkung des Magnetfeldes in einem vorwiegend aus Eisen 

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 bestehenden Behälter nicht möglich ist. Es empfiehlt sich, während des Anlegens des Magnetfeldes zu rütteln, um die Ausrichtung zu erleichtern. Natürlich muss dafür gesorgt werden, dass beim Einbau des Katalysators in den
Reaktor die einmal erzielte Ordnung nicht wieder zerstört wird. 



   Am vorteilhaftesten gestaltet sich der Einbau, wenn die Katalysator-Partikel zunächst in ein Gefäss mit
Wänden aus nicht magnetisierbarem Material,   z. B.   aus Kunststoff, Messing oder Duraluminium eingefüllt werden, dessen Gestalt der Form des Reaktorhohlraumes, in den der Katalysator eingebaut werden soll, angepasst ist. Der
Boden dieses Gefässes muss auf einfache Weise abgelöst werden können und aus vergasbarem Material, z. B. Holz, hergestellt sein. Nach Anlegen des elektromagnetischen Feldes und erzielter Ausrichtung wird der Behälter in den
Reaktor gesenkt und der rohrförmige Teil des Behälters nach Ablösen des Bodens vorsichtig herausgezogen. Der
Boden bleibt im Reaktor, wo er beim Anfahren vergast. 



   Soll ein Reaktor, der aus einem oder mehreren Vollraumteilen besteht, befüllt werden, so empfiehlt es sich, den Katalysator in mehreren Behältern, die zusammen annähernd oder völlig die Form des Vollraumes ergeben, auszurichten und nach Einsetzen der Behälter und Lösung der Böden die Behälterwände gleichzeitig oder nacheinander zu entfernen. Dabei ist es möglich, entweder die Behälter bis zur vollständigen Raumerfüllung einzusetzen und die Wände erst dann zu entfernen oder zunächst nur einen Teil des Raumes,   z. B.   die Hälfte, mit
Behältern zu füllen und von den zuerst eingebrachten Behältern die Wände zu entfernen und dieselben nach
Anbringung neuer Böden für die weitere Befüllung des Ofens einzusetzen. 



   Die Zerkleinerung des geschmolzenen Eisenoxydkatalysators kann auf jede übliche Art,   z. B.   auf einem Walzenstuhl, erfolgen, wobei durch Absieben der Anteil der länglich bzw. plattenartig geformten Partikel im
Katalysator erhöht werden kann. 



   Beispiel : Ein gebrochener Eisenoxydschmelzkontakt, der aus Spiessen einer Länge von 5 bis 10 mm und einer Breite bzw. Dicke von 1 bis 2 mm bestand, wurde regellos in einen Behälter aus Aluminium eines Rauminhaltes von 30 cm3, der mit einem ablösbaren Boden versehen war, eingefüllt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes einer Stärke von 200 Gauss durch eine über die Behälterwand gezogene Wicklung, die mit Strom beschickt wurde, wurden unter gleichzeitigem Rütteln die Katalysatoren in Richtung der Längsachse des Behälters ausgerichtet. Nach Einführen des Behälters in einen Versuchsofen entsprechenden Rauminhaltes wurde der Boden gelöst und die Aluminiumwand herausgezogen. 



   Der so in geordneter Weise befüllte Ofen wurde bei 300 Atmosphären und einer Temperatur von 480 C mit einem Synthesegas, das H2 und N2 im stöchiometrischen Verhältnis enthielt, mit einem Gehalt von 11, 0 Vol.-% Inerten und einem NH3-Gehalt von 2, 1 Vol.-% beschickt, wobei die Gasmenge 1000   I/h   betrug. Die   NHg-Prozente   im Gas nach Verlassen des Ofens betrugen   15, 7 Vol.-%.   Der Druckverlust des mit Katalysator befüllten Rohres betrug 40 mm WS. 



   Wird der gleiche Ofen mit regellos geformten Granalien des gleichen Kontaktes einer Korngrösse von 5, 0 bis 6, 2 mm befüllt und die NH3-Synthese unter gleichen Bedingungen durchgeführt, so erhielt man im Gas nach Verlassen des Ofens 15, 0 Vol.-% NH3. Der Druckverlust im Ofen betrug 84 mm WS. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Katalysatorschüttung zur Durchführung von Hochdrucksynthesen in Gegenwart von Eisenoxydschmelzkatalysatoren, die gegebenenfalls aktivierende Zusätze enthalten, insbesondere zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff und welche in einem zylindrischen oder ringförmigen, an den Seitenwänden gasdicht, am Boden und Deckel jedoch gasdurchlässig ausgestalteten Hohlraum angeordnet ist,   d a d u r c h g e k e n n -     zeichnet,   dass die Schüttung mindestens zu 65 Gew.-%, vorzugsweise zur Gänze aus Partikeln besteht, deren Raumausdehnung eine Länge besitzt, die das 2 bis 20fache der Länge mindestens einer der beiden andern, senkrecht dazu stehenden Raumanordnungen beträgt und mindestens eine dieser senkrecht dazu stehenden Raumausdehnungen eine Länge von 1 bis 5 mm,

   vorzugsweise von 1 bis 2 mm besitzt, wobei die Partikel mit ihrer längsten Raumausdehnung in einem Winkel zwischen 50 und 900, vorzugsweise 70 und 900 zur Achse des zylindrischen oder ringförmigen Hohlraumes angeordnet sind. 
 EMI2.1 

Claims (1)

1. partikel mit ausgeprägter Raumausdehnung in einer Richtung eine spiess-, prismen-, pyramidenstumpf- oder kegelstumpf-, scheiben- oder plattenartige Form besitzen.

   3. Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorschüttung nach den Ansprüchen 1 und 2, EMI2.2 Eisenoxydschmelzkatalysator in Behälter aus nicht magnetischen Metallen, vorzugsweise Aluminium, mit lösbarem Boden aus vergasbarem Material, vorzugsweise aus Holz, eingeführt wird, die in ihrer Gestalt entweder einzeln oder als mehrere gemeinsam der Gestalt des zu befüllenden Hohlraumes im Reaktor angepasst werden, die <Desc/Clms Page number 3> befüllten Behälter dem Magnetfeld zwecks Ausrichtung der Partikel annähernd parallel zur Behälterwand ausgesetzt werden, worauf der Behälter in den zu befüllenden Reaktorhohlraum eingeführt und die Behälterwand bzw.-wände nach Ablösung des Bodens aus dem Reaktor entfernt wird.